Высокочастотные и СВЧ p-i-n диоды

Владимир Резников, Леонид Губырин

Введение

    Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры уже с 50-х годов нашли широчайшее применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров.

    Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности , а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.

    В этих сферах pin-диоды практически не имеют конкурентов, а из-за фактической невозможности их совмещения на чипе с другими элементами не вытесняются и интегральными схемами.

    В отечественной практике pin-диоды СВЧ-диапазона получили название переключательных и ограничительных (в зависимости от рода использования), в ВЧ-диапазоне их называют коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов). В зарубежной практике в их названии сохранен конструктивно-технологический маркер «PIN-Diodes».

    В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается непрестанное увеличение спроса на pin-диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в pin-диодах в последние 5 лет достигает 17–33 %, а по отдельным типономиналам и до 2-х раз. Подобная тенденция начинает наблюдаться и в нашей стране, причем характерно, что pin-диоды находят все большее применение не только в аппаратуре специального назначения, но и в коммерческой.

    В связи с этим, заводом «ОПТРОН» был проведен комплекс конструкторско-технологических работ по совершенствованию pin-диодов, повышению их качества и принципиальной модернизации ряда типов.

Краткие характеристики pin-диода

    Структура типичного pin-диода (рис. 1, а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда tэфф(~0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм.

Рис. 1

    Специфические особенности pin-структуры, существенные для работы диодов, заключаются в следующем :

  1. При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением

    2pfiэфф >> 1      (1)

        Дифуззионная емкость p±i- и n±i-переходов полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рис. 1, б, где rпр — сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (1) может выполняться уже при частоте f& gt; 10–20 МГц и заведомо справедливо на СВЧ.

  2. При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рис. 1, в, где rобр — сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное

    rобр=ri wi/si     (2)

        Реально rобр=0,1–10 кОм.

  3. При прямом смещении вследствие двойной инжекции, дырок из p+-области и электронов из n+-области вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме рис. 1, в выполняется

    rпр~wi/si -1/tэфф Iпр     (3)

        Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к

    rпр~1/ Iпр     (4)

  4. Пробой pin-структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением

    Uпроб = Eкр Wi(s)     (5),

        где Eкр — критическое поле, обычно принимается Eкр=2х105 В/см. Таким образом,

    Uпроб = 20Wi(мкм)     (5а)

  5. При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением

    Qнк = Iпр tэфф (6),

        поэтому величина tэфф определяется расчетно по паспортному значению Qнк.

  6. При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна

    tас = Qнк/Iрас= tэфф Iпр/ Iрас     (7),

        где Iрас — обратной ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к

    tвост = Wi/mp,nUобр     (8).

        Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ pin-диод (без учета паразитных параметров Cк и Lк) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр , при этом rпр зависит от прямого тока.

    Pin-диоды, предлагаемые заводом «ОПТРОН»

        Завод производит все перечисленные виды pin-диодов СВЧ- и ВЧ-диапазонов. Параметры переключательных диодов представлены в табл. 1, ограничительных — в табл. 2.

    Таблица 1. СВЧ-переключательные pin-диоды

    Тип прибора Корпус Пробивное напряжение, В Рассеи-
    ваемая мощ-
    ность Р, Вт    		 Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА
    2(К)507А,
    Б    		 КД105 500
    300    		 5 0,8 - 1,2 200/100 1,5/100
    2(К)509А,
    Б    		 КД105 200 2 0,9 - 1,2
    0,7-1,0    		 25/25 1,5/100
    2(К)515А КД105 100 0,5 0,4-0,7 15/25 2,5/25
    2(К)520А
    Б    		 КД105 800
    600    		 4 0,4-1,0 300/100 2/100
    3/100
    2(К)537А,
    Б    		 КД-16-1 600
    300    		 20 3 400-1000/100
    200-1500/100    		 0,5/100
    1,0/100
    2(К)536А-5,6
    Б-5,6    		 Б/к 300 1 0,08-0,16
    0,12-0,21    		 150/10 1,5/100
    2(К)541А-5,6
    Б-5,6    		 Б/к 300 0,5 0,15-0,22
    0,18-0,25    		 60-150/100 3,0/100
    2(К)543А-5,6
    Б-5,6    		 Б/к 100 0,5 0,12-0,19
    0,15-0,22    		 0,5-3/5 1,5/5
    2(К)546А-5,6
    Б-5,6    		 Б/к
    300    		 0,5 0,12-0,2 50-200/100 1,5/5
    2(К)554А-5,6
    Б-5,6    		 Б/к 500
    150    		 0,5 0,025-0,08 - 2,0/100

    Таблица 2. СВЧ-ограничительные pin-диоды

    Тип прибора Корпус Пробивное напряжение, В Рассеи-
    ваемая мощ-
    ность Р, Вт    		 Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА
    2(К)А534А
    Б    		 КД-102 30-110
    40-110    		 0,25
    0,15    		 0,4-0,65
    0,35-0,5    		 0,22-1,0/10 0,9-1,8/10
    2(К)А522А-2
    Б-2    		 Б/к 70
    100    		 0,3 0,35-0,75
    0,1-1,0    		 1/50 1,8/100
    2,0/100
    2(К)А550А-5 Б/к 100-180 5 0,2-0,6 0,3-1,0/20 0,6-1,0/100

    Рис. 2

        На рис.2 представлены некоторые типовые зависимости параметров от режимов измерения и эксплуатации (как видим, они вполне удовлетворительно подтверждают теоретические соотношения (4,6,7)).

        Диоды предназначены для сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов; переключательные применяются в переключательных устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах; ограничительные — в устройствах ограничения и управления мощностью, защиты входных приемников и для тех же целей в составе герметизированных гибридных схем.

        Одна из характерных особенностей современного интереса к СВЧ pin-диодам — это резкое увеличение спроса на бескорпусные приборы. Отметим, что завод «ОПТРОН» предлагает четыре основных разновидности бескорпусных приборов: в виде кристалла с контактными площадками без выводов; с гибкими ленточными выводами; на цилиндрическом металлическом держателе — теплоотводе и на керамическом держателе типа «кроватка».

        Накопленный заводом производственный опыт, цикл технологических работ по совершенствованию эпитаксии и сборочных процессов позволяет по специальным соглашениям изготовлять приборы с параметрами, превосходящими, указанные в таблицах 1 и 2. В ряде случаев, напротив, задаваемые на тот или иной прибор параметры оказываются неопределенно завышенными или условия применения не требуют их двухстороннего ограничения. В этих случаях возможна, также по дополнительному соглашения, поставка приборов по сниженным ценам.

        Для ВЧ-диапазона завод выпускает коммутационные pin-диоды: КД407А,2Д420А и регулируемые резистивные типов 2Д(КД)413А,Б и КД417А для применения в аттенюаторах радиоприемников и селекторов телевизионных каналов.

        Приборы выпускаются в стеклянных корпусах с аксиальными выводами типа КД4 и КД1 (миниатюрный). Диапазон рабочих частот от 10 до 300 МГц, основные параметры приборов приведены в табл. 3. Графики рис. 3 свидетельствуют о том, что для использования в аттенюаторах могут отбираться приборы с очень широким динамическим диапазоном (до четырех порядков изменения rпр).

    Таблица 3. ВЧ-переключательные pin-диоды

    Тип прибора Корпус Пробивное напряжение, В Общая емкость Сд, пФ Накопленный заряд Qнк/Iпр Нк/мА Прямое сопротивление mp/Iпр Ом/мА
    2Д420А КД4 24 1,5 - 1,0/10
    КД407А КД4 24 1,5 - 1,0/10
    2Д420А/*
    КД407А,Б,В    		 КД2 24-100 1,3-1,5 - 1,3-1,5/10
    2(К)Д413А
    Б    		 КД1 30 0,7 2/20 30-60/2
    40-80/2
    КД417А КД1 24 0,4 - 25/2

    Рис. 3

        В целях повышения качества коммутационных pin-диодов разработан модернизированный аналог диодов КД407А/2Д420А в корпусе КД2. Эти приборы отличаются высокой температурной стабильностью параметров, повышенным обратным напряжением и могут поставляться по более низким ценам.

    Тел. (095) 365-58-52
    gub@optron.ru